基于小样本分析和扩散算法的异系统均流控制方法

技术领域

本发明属于分布式直流电源协调控制技术领域，具体涉及一种基于小样本分析和扩散算法的异系统均流控制方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展，分布式直流供电系统具备诸多优势，包括高效性、稳定性、安全性、灵活性和设备成本低等方面。这些优点为分布式直流供电系统在以下几个方面展现了广阔的应用前景：

1)具有高能量传输效率；

2)能够更好地适应可再生能源的发展；

3)具备良好的能量储存与管理能力；

4)智能电网的重要组成部分；

5)对于电动交通工具的发展具有重要意义。

随着技术的进一步成熟和普及，分布式直流供电将发挥越来越重要的作用，推动电力系统的创新和可持续发展。

由多个分布式直流电源组成的并联供电系统，可以实现对不同功率的负载进行供电，既能提供所需电流，又能形成N+m冗余结构，提高了系统的稳定性和容错性，成为大功率直流供电系统并联运行的重要方式。

现有技术中，异系统间并联时存在输出电流不均衡的问题。因此，亟需提供一种异系统均流控制方法，来解决异系统间并联时存在的输出电流不均衡问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种基于小样本分析和扩散算法的异系统均流控制方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

本发明提供一种基于小样本分析和扩散算法的异系统均流控制方法，包括以下步骤：

S1、分布式直流电源新系统电源模块通过给定初值电流来提供负载所需功率，运用扩散算法计算出给定电流初值的平均归一化电流值

S2、利用霍尔传感器对原系统中3-7％模块数的输出电流进行采样，将采样到得到的电流作为小样本；并对这些小样本进行分析，以判断样本间是否存在较大差异，从而确定原系统的均流效果；

S3、比较后的样本电流误差ΔI_

S4、将得到的平均归一化电流值

S5、将得到的异系统间的平均归一化电流值I

S6、调节后的输出电流若不满足均流精度要求，将通过均流精度校正环节对输出电流进行调节。

进一步地，原系统与新系统的输出端连接到同一直流母线上。分布式直流微网由控制器、变换器以及直流电源构成。

进一步地，在步骤S1中，构造动态扩散算法的平均归一化电流值表达式如下：

基于式(1)，可以得到：

其中：i＝1,2,…,N；N为系统节点数量；ω

进一步可以得到新系统内部平均归一化电流值表达式为：

随着迭代次数的增加，所有节点都将收敛于其初始值的平均值

进一步地，在步骤S2中，利用霍尔传感器对原系统中5％模块数的输出电流进行采样，将采样到得到的电流作为小样本。

进一步地，为确保样本均值能够尽可能地代表整体数据均值特征，通过计算采样样本的最大误差值，记作ΔI_

ΔI

ΔI_

当ΔI_

进一步地，在步骤S4中，将得到的样本电流均值I

I

将得到的异系统间的平均归一化电流值I

进一步地，根据原系统采样电流均值I

其中，I

进一步地，为保证更精确的均流精度，将负载不平衡CS

其中，I

进一步地，当检测到均流精度未满足所设计要求时，需要对输出电流进行调节，通过获取原系统小样本输出电流均值I

ΔI

若均流精度不满足设定范围，需要对输出电流进行调整，因此设置一个较小的误差范围ΔI，当I

I′

当I

I′

新系统电源模块的输出电流经过以上变换后，系统将实时对输出电流进行监测，经若干次后，系统的均流精度满足设计要求。

进一步地，将经均流精度校正后的输出电流为I

I

将该补偿值叠加到电流环与采样得到的输出电流比较后的输出电流误差值为：

I

该误差值通过PI控制器后经PWM控制器产生PWM信号，驱动DC-DC变换器电路的开关功率器件，实现异系统间协同控制。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出了一种异系统均流控制方法，实现了异系统间在无法通过相同协议的通信链路进行信息交换时，依然可以实现异系统间的均流控制。

2、本发明通过对原系统部分模块输出电流进行采样，将其作为原系统输出电流的小样本。通过对小样本输出电流进行误差分析，能够准确评估原系统的均流状态，并将原系统采样电流均值作为原系统达到均流状态时的输出电流值。

3、本发明通过对输出电流进行均流精度检测，在均流精度在不符合设计要求时，通过设定一个较小的误差范围ΔI，并根据输出电流进行不断调整，经过多次迭代后可使输出电流达到很高的精度值，从而实现异系统间的输出电流均衡。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为新系统与原系统并联结构示意图；

图2为典型分布式直流微电网结构示意图；

图3为新系统母线电压稳定控制示意图；

图4为原系统采样电流均值分析流程图；

图5为动态扩散算法结构示意图；

图6为新系统整体控制框图；

图7为均流精度调节控制流程图；

图8为输出电压电流波形图；

图9为所提控制同时投入时输出电压电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

本实施例提供一种基于小样本分析和扩散算法的异系统均流控制方法，包括以下步骤：

S1、分布式直流电源新系统电源模块通过给定初值电流来提供负载所需功率，运用扩散算法计算出给定电流初值的平均归一化电流值

S2、利用霍尔传感器对原系统中5％模块数的输出电流进行采样，将采样到得到的电流作为小样本；并对这些小样本进行分析，以判断样本间是否存在较大差异，从而确定原系统的均流效果；

S3、比较后的样本电流误差ΔI_

S4、将得到的平均归一化电流值

S5、将得到的异系统间的平均归一化电流值I

S6、调节后的输出电流若不满足均流精度要求，将通过均流精度校正环节对输出电流进行调节。

在步骤S1中，新系统电源模块通过给定电流初值以提供负载所需功率。新系统与原系统并入后，通过在新系统的电流环路中加入稳压环，以确保新系统并入后母线电压能够稳定在额定值。原系统与新系统的输出端连接到同一直流母线上。

将采样母线电压v

其中，V

在步骤S2中，由于无法与原系统通过相同协议的通信链路进行信息交换，且原系统已经采用了均流控制并未知其控制策略，然而即使在均流后，输出电流仍然存在一定程度的偏差。

为了避免只采集原系统中某个特定模块的输出电流，从而产生不具有代表性的情况，因此通过使用霍尔传感器来对原系统中部分模块的输出电流进行采样，将其作为原系统输出电流的小样本。因此利用霍尔传感器对原系统中5％模块数的输出电流进行采样，将采样到得到的电流作为小样本。

当原系统中包含n个模块时，从中抽取5％的模块数量作为小样本，用于采样输出电流。记抽取的小样本的数量为k，第i个模块输出电流为I

根据采样得到的样本，进而计算样本电流的均值，记作I

在步骤S3中，为确保样本均值能够尽可能地代表整体数据均值特征，通过计算采样样本的最大误差值，记作ΔI_

ΔI

ΔI_

当ΔI_

在步骤S4中，将得到的样本电流均值I

基于扩散算法的动态表达式，如下所示：

上述电流采样值的动态扩散算法框图如图4所示：

基于上式进而可以得到

其中：i＝1,2,…N；N为系统节点数量；x

其中，n

将采集到的本地电流信息与接收到的相邻通信模块的信息，通过扩散算法得到平均归一化电流值，通过通信手段实现了分布式估计过程。用于估计电流的平均值的动态扩散如下式所示：

基于上式进而可以得到：

随着迭代次数的增加，所有节点都将收敛于其初始值的平均值

通过建立分布式控制器之间的通信网络，根据网络拓扑设置动态扩散算法的通信权重，将本地采样电流x

I

将得到的异系统间的平均归一化电流值I

在步骤S6中，引入均流精度检测，若检测到两系统输出电流均流精度不满足所设定要求范围时，将会通过均流精度校正环节对输出电流进行调节，以满足均流精度要求。

根据原系统采样电流均值I

其中，I

基于采集得到的原系统小样本输出电流均值以及新系统模块输出电流，得到均流误差表达式如下所示：

其中，CS

当检测到均流精度未满足所设计要求时，需要对输出电流进行调节，通过获取原系统小样本输出电流均值I

ΔI

若均流精度不满足设定范围，需要对输出电流进行调整，因此设置一个较小的误差范围ΔI，当I

I′

当I

I′

新系统电源模块的输出电流经过以上变换后，系统将实时对输出电流进行监测，经若干次后，系统的均流精度满足设计要求。

上述经均流精度校正后的输出电流为I′

I

将该补偿值叠加到电流环与采样得到的输出电流比较后的输出电流误差值为：

I

该误差值通过PI控制器后经PWM控制器产生PWM信号，驱动DC-DC变换器电路的开关功率器件，实现异系统间协同控制。

经过上述对输出电流的调节，此时系统输出电流达到了很高的精度值，即认为系统输出电流达到了均流状态。系统在均流状态依然会实时获取两系统的输出电流，并进行调整，以确保持续的均流状态。

结合附图对本实施例作详细描述：

图1为新系统与原系统并联结构示意图，原系统有n个电源模块，新系统有m个电源模块为负载供电，当系统需要扩容或部分模块替换时，需要并联与原系统不同规格的电源模块以提供负载功率需求。

图2为典型分布式直流微网结构示意图，通过单向DC/DC变换器，将直流主母线上的电压等级进行调整，以满足不同电压等级的负载供电需求。

图3为新系统电源模块通过加入稳压环路实现输出母线电压的稳定，将采样母线电压与参考电压作比较，经PI控制器输出电压补偿值δv后加入电流环路中，保证新系统并入后母线电压能够稳定在额定值。

图4为原系统采样电流均值分析流程图，使用霍尔传感器来对原系统中部分模块的输出电流进行采集，将其作为原系统输出电流的小样本，计算采样电流均值以及采样样本的最大误差值ΔI_

图5为扩散算法结构示意图，将本地的采样电流信号i

图6为新系统整体控制框图，用来调节新系统的输出电流。通过电流环、均流环以及均流精度调节环路，先对参数进行初始化，并将母线电压补偿加入电流环内，随后新系统将初始化参数经扩散算法将求得平均归一化电流

图7为均流精度调节控制流程图，通过计算原系统小样本输出电流均值I

图8为输出电压电流波形图。原系统采用3个电源模块，新系统采用2个电源模块进行仿真模型搭建以验证所提控制策略的正确性，每个阶段的控制策略依次投入，可以更好的展示控制效果。图8(a)为输出电流波形图，下面对每个阶段的控制分别进行描述，可以看到在0.2s前，未加入均流控制，系统输出电流分配不均。在0.2s时加入均流控制后，实现了系统内部输出电流均匀分配。在0.4s时投入异系统间的扩散算法，进一步调整输出电流，减小异系统间输出电流偏差。在0.6s时投入均流精度校正，对输出电流进行自适应调整，使均流精度满足设计要求，且在负载发生变化时仍能维持输出电流精度在所要求的范围内。图8(b)为输出电压波形图，可以看到输出电压可以很好的稳定在额定电压值。

图9展示了将所提出的控制同时投入运行时的输出电压和电流波形。从图中可以明显观察到，输出电流迅速达到稳定状态，同时输出电压也可稳定地保持在额定值。即使在负载发生变化的情况下，输出电流仍能很好的实现均流效果。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。